Kinematika međuzvjezdanih letova

Neka se let do tamo i let natrag sastoji od tri faze: jednoliko ubrzanog ubrzanja, leta konstantnom brzinom i jednoliko ubrzanog usporavanja.

Pravilno vrijeme svakog sata ima oblik:

gdje je brzina ovog sata. Zemljini satovi su nepomični (), a njihovo vlastito vrijeme jednako je koordinatnom vremenu. Satovi astronauta imaju promjenjivu brzinu. Budući da korijen integrala cijelo vrijeme ostaje manji od jedinice, vrijeme ovih satova, bez obzira na eksplicitni oblik funkcije, uvijek se pokaže manjim. Kao rezultat.

Ako su ubrzanje i usporavanje relativistički jednoliko ubrzani (s parametrom samoubrzanja) tijekom , a jednoliko gibanje je , tada će prema brodskom satu vrijeme proći:

, gdje je hiperbolički arcsinus

Razmotrimo hipotetski let do zvjezdanog sustava Alpha Centauri, udaljenog od Zemlje na udaljenosti od 4,3 svjetlosne godine. Ako se vrijeme mjeri u godinama, a udaljenosti u svjetlosnim godinama, tada je brzina svjetlosti jednaka jedinici, a jedinična akceleracija po godini/godini² bliska je akceleraciji gravitacije i približno je jednaka 9,5 m/s².

Neka se letjelica polovicom puta kreće jediničnom akceleracijom, a drugu polovicu neka uspori istom akceleracijom (). Brod se zatim okreće i ponavlja faze ubrzanja i usporavanja. U ovoj situaciji vrijeme leta u zemljinom referentnom okviru bit će približno 12 godina, dok će prema satu na brodu proći 7,3 godine. Najveća brzina broda doseći će 0,95 brzine svjetlosti.

U 64 godine vlastitog vremena, svemirska letjelica s jediničnim ubrzanjem mogla bi potencijalno putovati (vratiti se na Zemlju) do galaksije Andromeda, udaljene 2,5 milijuna svjetlosnih godina. godine . Tijekom takvog leta na Zemlji će proći oko 5 milijuna godina. Razvijajući duplo veću akceleraciju (na koju se istrenirana osoba može lako naviknuti uz ispunjenje niza uvjeta i korištenje niza uređaja, npr. suspendirane animacije), može se čak razmišljati o ekspediciji do vidljivog ruba Svemira. (oko 14 milijardi svjetlosnih godina), za što će kozmonautima trebati oko 50 godina; Međutim, vrativši se s takve ekspedicije (nakon 28 milijardi godina prema Zemljinom satu), njezini sudionici riskiraju da ne pronađu žive ne samo Zemlju i Sunce, već čak ni našu Galaksiju. Na temelju ovih izračuna, kako bi astronauti izbjegli budući šok po povratku na Zemlju, razumni radijus pristupačnosti za međuzvjezdane povratne ekspedicije ne bi trebao premašiti nekoliko desetaka svjetlosnih godina, osim ako, naravno, ne postoje fundamentalno novi fizički principi kretanja u svemiru -vrijeme se otkrivaju. Međutim, otkriće brojnih egzoplaneta daje razloga vjerovati da se planetarni sustavi nalaze u blizini dovoljno velikog udjela zvijezda, pa će astronauti imati što istraživati ​​u tom radijusu (primjerice, planetarni sustavi ε Eridani i Gliese 581).

Prikladnost različitih tipova motora za međuzvjezdane letove

Pogodnost različitih tipova motora za međuzvjezdane letove razmatrao je Tony Martin na sastanku Britanskog međuplanetarnog društva 1973. godine. Električni raketni motor na nuklearni pogon ima malo ubrzanja, pa će trebati stoljeća da se postigne željena brzina, što mu omogućuje upotrebu samo u generacijskim brodovima. Toplinski nuklearni motori tipa NERVA imaju dovoljnu količinu potiska, ali malu brzinu ispuha radne mase, oko 5-10 km/s, pa je za ubrzanje do potrebne brzine potrebna ogromna količina goriva. Dakle, brod s takvim motorom bit će nekoliko redova veličine sporiji od broda s električnim propulzijskim motorom. Let do susjedne zvijezde na takvom će brodu trajati desetke i stotine tisuća tisuća godina (let do Alpha Centauri brzinom od 30 km/s trajat će 40 tisuća godina). Ramjet motor bi zahtijevao lijevak ogromnog promjera za prikupljanje razrijeđenog međuzvjezdanog vodika, koji ima gustoću od 1 atoma po kubnom centimetru. Ako se super-moćno elektromagnetsko polje koristi za prikupljanje međuzvjezdanog vodika, opterećenja sila na generirajuću zavojnicu bit će toliko velika da se njihovo prevladavanje čini malo vjerojatnim čak i za buduću tehnologiju.

Projekti međuzvjezdanih ekspedicija

Projekti zvjezdanih raketa

Projekt "Orion"

Pokazalo se da je raketni brod projekta Daedalus toliko ogroman da bi ga morali graditi u svemiru. Trebao je težiti 54 000 tona (gotovo sva težina je raketno gorivo) i mogao bi ubrzati do 7,1% brzine svjetlosti, noseći teret težak 450 tona. Za razliku od projekta Orion, dizajniranog za korištenje sićušnih atomskih bombi, projekt Daedalus uključivalo je korištenje minijaturnih vodikovih bombi s mješavinom deuterija i helija-3 i sustav paljenja pomoću elektronskih zraka. Ali veliki tehnički problemi i zabrinutost oko nuklearnog pogona značili su da je projekt Daedalus također odložen na neodređeno vrijeme.

Tehnološke ideje Dedala korištene su u projektu termonuklearnog zvjezdanog broda Icarus.

Projekti zvjezdanih brodova čiji je pogon pritisak elektromagnetskih valova.

Godine 1971., u izvješću G. Marxa na simpoziju u Byurakanu, predloženo je korištenje rendgenskih lasera za međuzvjezdana putovanja. Mogućnost korištenja ove vrste pogona kasnije je istraživala NASA. Kao rezultat toga, donesen je sljedeći zaključak: "Ako se pronađe mogućnost stvaranja lasera koji radi u rasponu valnih duljina X-zraka, tada se može govoriti o stvarnom razvoju zrakoplova (ubrzanog snopom takvog lasera) koji će moći prijeći udaljenosti do najbližih zvijezda puno brže od svih poznatih trenutno raketnih sustava. Izračuni pokazuju da je korištenjem svemirskog sustava koji se razmatra u ovom radu moguće dosegnuti zvijezdu Alpha Centauri... za otprilike 10 godina."

Godine 1985. R. Forward predložio je dizajn međuzvjezdane sonde ubrzane mikrovalnom energijom. Projektom je bilo predviđeno da sonda do najbližih zvijezda stigne za 21 godinu.

Na 36. međunarodnom astronomskom kongresu predložen je projekt laserskog zvjezdanog broda čije kretanje osigurava energija optičkih lasera koji se nalaze u orbiti oko Merkura. Prema izračunima, put zvjezdanog broda ovog dizajna do zvijezde Epsilon Eridani (10,8 svjetlosnih godina) i natrag trajao bi 51 godinu.

Prednost solarne jedrilice je što na njoj nema goriva. Nedostatak mu je nemogućnost korištenja jedra za povratak na Zemlju, pa je dobar za lansiranje automatskih sondi, postaja i teretnih brodova, ali je malo koristan za povratne letove s posadom (ili će astronauti morati uzeti drugi laser s rezerva goriva za ugradnju na odredištu, što zapravo poništava sve prednosti jedrilice).

Motori za uništavanje

Teorijski izračuni američkih fizičara Ronana Keanea i Wei-ming Zhanga pokazuju da je, na temelju suvremenih tehnologija, moguće stvoriti anihilacijski motor koji može ubrzati svemirsku letjelicu do 70% brzine svjetlosti. Motor koji su predložili brži je od ostalih teoretskih razvoja zbog posebnog dizajna mlaznice. Međutim, glavni problemi u stvaranju anihilacijskih raketa ( Engleski) kod takvih motora su proizvodnja potrebne količine antimaterije, kao i njezino skladištenje. U svibnju 2011. rekordno vrijeme pohranjivanja atoma antivodika bilo je 1000 sekundi (~16,5 minuta). NASA-ina procjena iz 2006. procjenjuje da je proizvodnja miligrama pozitrona koštala približno 25 milijuna američkih dolara. Jedan gram antihidrogena koštao bi 62,5 trilijuna dolara, prema procjeni iz 1999. godine.

Ramjet motori pokretani međuzvjezdanim vodikom

Glavna komponenta mase suvremenih raketa je masa goriva potrebna raketi za ubrzanje. Ako na neki način iskoristimo okolinu koja okružuje raketu kao radni fluid i gorivo, možemo značajno smanjiti masu rakete i time postići velike brzine.

Drugi nedostatak termonuklearnog ramjet motora je ograničena brzina koju brod opremljen njime može postići (ne više od 0,119 c= 35,7 tisuća km/s). To je zbog činjenice da prilikom hvatanja svakog atoma vodika (koji se u prvoj aproksimaciji može smatrati nepomičnim u odnosu na zvijezde) brod gubi određeni zamah, koji se može kompenzirati potiskom motora samo ako brzina nije prekoračiti određenu granicu. Da bi se prevladalo to ograničenje, potrebno je što potpunije iskoristiti kinetičku energiju zarobljenih atoma, što se čini prilično teškim zadatkom.

Recimo da je ekran uhvatio 4 atoma vodika. Kada fuzijski reaktor radi, četiri protona se pretvaraju u jednu alfa česticu, dva pozitrona i dva neutrina. Radi jednostavnosti, zanemarit ćemo neutrine (uzimanje u obzir neutrina zahtijevat će točan izračun svih faza reakcije, a gubici zbog neutrina iznose oko postotak), i anihilirati pozitrone s 2 elektrona preostala od atoma vodika nakon uklanjanja protona iz njih . Još 2 elektrona će se koristiti za pretvaranje alfa čestice u neutralni atom helija, koji će se, zahvaljujući energiji dobivenoj iz reakcije, ubrzati u mlaznici motora.

Konačna jednadžba reakcije bez uzimanja u obzir neutrina:

4 uredi] Fotonski motor na magnetskim monopolima

Ako su neke varijante teorija Grand Unifieda valjane, kao što je Hooft-Polyakov model, tada je moguće izgraditi fotonski motor koji ne koristi antimateriju, budući da magnetski monopol može hipotetski katalizirati raspad protona u pozitron i π 0 mezon:

π 0 se brzo raspada u 2 fotona, a pozitron anihilira s elektronom, kao rezultat atom vodika se pretvara u 4 fotona, a samo problem zrcala ostaje neriješen.

Fotonski motor temeljen na magnetskim monopolima također bi mogao raditi u shemi izravnog protoka.

U isto vrijeme, većina modernih teorija Grand Unifieda ne uključuje magnetske monopole, što baca sumnju na ovu atraktivnu ideju.

Međuzvjezdani sustavi kočenja brodova

Predloženo je nekoliko metoda:

1. Kočenje na unutarnjim izvorima – raketa

2. Kočenje zbog laserske zrake poslane iz Sunčevog sustava.

3. Kočenje magnetskog polja korištenjem Zubrinova magnetskog jedra na supravodičima.

Generacijski brodovi

Međuzvjezdana putovanja također su moguća pomoću zvjezdanih brodova koji provode koncept "generacijskih brodova" (na primjer, poput O'Neillovih kolonija). U takvim svemirskim brodovima stvara se i održava zatvorena biosfera sposobna održavati se i reproducirati nekoliko tisuća godina. Let se odvija malom brzinom i traje jako dugo, tijekom kojeg se mnoge generacije astronauta uspijevaju promijeniti.

Opasnosti za okoliš

Ovaj problem je detaljno ispitao Ivan Korznikov u članku “Stvarnosti međuzvjezdanih letova”. Sudar s međuzvjezdanom prašinom dogodit će se brzinom bliskom svjetlosti, a fizički će udar nalikovati mikroeksplozijama. Pri brzinama većim od 0,1 C zaštitni ekran mora imati debljinu od desetak metara i masu od stotine tisuća tona. Ali ovaj će zaslon pouzdano zaštititi samo od međuzvjezdane prašine. Sudar s meteoritom imat će kobne posljedice. Ivan Korznikov daje izračune da pri brzini većoj od 0,1 C letjelica neće imati vremena promijeniti putanju leta i izbjeći sudar. Ivan Korznikov vjeruje da će se letjelica pri subsvjetlosnoj brzini srušiti prije nego što stigne do cilja. Prema njegovom mišljenju, međuzvjezdana putovanja moguća su samo znatno manjim brzinama (do 0,01 C).

Energija i resursi

Međuzvjezdani let će zahtijevati velike rezerve energije i resursa koje ćete morati nositi sa sobom. Ovo je jedan od slabo proučavanih problema u međuzvjezdanoj astronautici.

Primjerice, dosad najrazvijeniji projekt “Daedalus” s pulsirajućim termonuklearnim motorom do Barnardove bi zvijezde (šest svjetlosnih godina) stigao za pola stoljeća, uz utrošak 50 tisuća tona termonuklearnog goriva (mješavina deuterija i helija-3) i isporuku korisne mase od 4 tisuće do ciljnih tona

“Tehnologija za mlade” 1991 br. 10, str. 18-19

Tribina hrabrih hipoteza

Vladimir ATSYUKOVSKY,
kandidat tehničkih znanosti,
Zhukovsky, Moskovska regija.

Je li moguće međuzvjezdano putovanje?

Tisak je preplavio val izvješća o NLO-ima. Očevici tvrde da su vidjeli NLO za koji je očito da ga je napravio čovjek. Ne sumnjaju da su promatrali svemirske brodove vanzemaljskih civilizacija. No, naša svijest to odbija prihvatiti: za planete Sunčevog sustava prisutnost drugih civilizacija osim Zemlje gotovo je nemoguća, jer na njima, barem na njihovoj površini, nema uvjeta za život. Možda ispod površine? Malo vjerojatno, iako...

I na planetima drugih sustava možda postoji život, ali je vrlo daleko od njih: najbližih 28 zvijezda nalazi se u rasponu od 4 (najbliži Centauri) do 13 svjetlosnih godina (Kapteynova zvijezda). Zvijezde kao što su Sirius A i B, Procyon A i B, Tau Ceti nalaze se unutar ovog intervala. Ni blizu! Ako brodovi lete naprijed-natrag brzinom svjetlosti, tada će im trebati od 8 do 26 godina u oba smjera, a to je samo za najbliže zvijezde. Ne računajući vrijeme za ubrzanje i usporavanje. To nije preporučljivo, što znači da morate letjeti brže od svjetlosti.

Pa procijenimo koliko će vremena trebati ubrzanju do takvih brzina (i kočenju). Radi preglednosti, rezultati su sažeti u tablicu, iz koje možete odmah saznati vrijeme potrebno za postizanje određene brzine pri određenom ubrzanju. Ispada: ako pretpostavimo da je dopušteno trajanje putovanja u jednom smjeru jednako jednom mjesecu, tada trebate letjeti brzinom reda nekoliko desetaka brzina svjetlosti i ubrzavati (i usporavati) s ubrzanje mnogih stotina zemaljskih ubrzanja. Hmmm!.. A za sve ovo ipak negdje trebamo naći energiju! Čovjek se neizbježno pita: jesu li međuzvjezdani letovi uopće izvedivi? Ali odakle onda dolaze NLO-i? Štoviše, ponašaju se prkosno: iznenada nestaju, manevriraju pod pravim kutom, ispuštaju nešto... Što ako...

Uostalom, što nam, uostalom, treba? Odgovorite samo na tri pitanja:

1. Je li načelno moguće letjeti brzinama većim od brzine svjetlosti? (U školi su me učili da ne smijem.)

2. Je li moguće jako ubrzati bez uništavanja tijela? (Prema modernim konceptima, već 10-struko preopterećenje je maksimalno dopušteno.)

3. Je li moguće dobiti energiju za ubrzanje i kočenje? (Izračuni pokazuju da za to nije dovoljna nikakva termonuklearna energija.)

Začudo, sva pitanja, unatoč skeptičnim napomenama u zagradama, već danas imaju pozitivne odgovore. Nemoguće je letjeti brzinama većim od brzine svjetlosti samo zbog zabrane koju je nametnuo A. Einstein. Ali zašto je, zaboga, njegova teorija relativnosti uzdignuta na rang apsolutne istine? Uostalom, dolazi iz postulata, odnosno autorovih invencija, koje se i same temelje na lažnim premisama. Na primjer, 1887. godine, u poznatom Michelsonovom eksperimentu, otkriven je eterični vjetar, iako se njegova magnituda pokazala manjom od očekivane (tada nije bio poznat koncept graničnog sloja). Što se događa? S jedne strane, SRT - specijalna teorija relativnosti - ne može postojati ako postoji eter. S druge strane, GTR – opća teorija relativnosti – kako je sam Einstein napisao u člancima “O eteru” i “Eter i teorija relativnosti”, uvijek pretpostavlja prisutnost etera. Kako razumjeti ovu kontradikciju?

Moj kritički pregled svih glavnih eksperimenata na SRT i GTR (vidi “Logički i eksperimentalni temelji teorije relativnosti. Analitički pregled.” M., MPI, 1990., 56 str.) pokazao je da među njima nema nijednog koji bi nedvosmisleno potvrdio ovo teorija! Zato se ovdje može zanemariti i ne uzeti u obzir. Štoviše, P. Laplace je također utvrdio da je brzina širenja gravitacijskih poremećaja čak 50 milijuna puta veća od brzine svjetlosti, a cjelokupno iskustvo nebeske mehanike, koja operira isključivo statičkim formulama koje pretpostavljaju beskonačno veliku brzinu od širenje gravitacije, to potvrđuje. Ukratko, nema zabrane podsvjetlosnih brzina, radilo se o lažnoj uzbuni.

Prijeđimo na drugo pitanje. Razmotrimo kako astronaut ubrzava? Raketni plinovi pritišću stijenku komore za izgaranje koja pritišće raketu, raketa pritišće naslon stolca, a naslon stolca nju. I tijelo, cijela masa astronauta, pokušavajući ostati u stanju mirovanja, deformira se i pod jakim utjecajima može se srušiti. Ali kad bi isti astronaut pao u gravitacijsko polje neke zvijezde, tada, iako bi ubrzao mnogo brže, ne bi doživio nikakvu deformaciju, jer se svi elementi njegova tijela ubrzavaju istovremeno i jednako. Ista stvar će se dogoditi ako eter otpuhnete u astronauta. U ovom slučaju, protok etera - stvarnog viskoznog plina - ubrzat će svaki proton i astronauta u cjelini, bez deformiranja tijela (sjetite se znanstvenofantastičnog romana A. Belyaeva "Ariel"). Štoviše, ubrzanje može imati bilo koju vrijednost, sve dok je protok jednoličan. Dakle, i tu ima mogućnosti.

I na kraju, odakle crpite energiju? Prema mojim podacima (vidi “Opća dinamika etera. Modeliranje strukture materije i polja na temelju ideja o plinovitom eteru.” M., Energoatomizdat, 1990., 280 str.), eter je pravi plin fine strukture, stlačiv. i viskozna. Istina, njegova je viskoznost prilično mala i to praktički nema utjecaja na usporavanje planeta, ali pri velikim brzinama igra vrlo zamjetnu ulogu. Tlak etera je ogroman, više od 2 x 10 in 29 atm (2 x 10 in 32 N/sq. m), gustoća - 8,85 x 10 in - 12 kg/kubiku. m (u svemiru blizu Zemlje). I kako se pokazalo, u njemu postoji prirodni proces koji nas može opskrbiti neograničenom količinom energije u bilo kojoj točki svemira u obrocima bilo koje veličine... Govorimo o vrtlozima.

Odakle obični tornadi crpe svoju kinetičku energiju? Nastaje spontano iz potencijalne energije atmosfere. I napomena: ako je potonje praktički nemoguće koristiti, onda se prvo može koristiti, na primjer, prisiljavanjem tornada da okreće turbinu. Svi znaju da tornado nalikuje deblu - deblji je u dnu. Analiza ove okolnosti pokazala je da je sabijena atmosferskim tlakom. Vanjski pritisak uzrokuje da se čestice plina u tijelu tornada kreću spiralno tijekom procesa kompresije. Razlika u silama pritiska - vanjskim i unutarnjim (plus centrifugalna sila) daje projekciju rezultirajuće sile na putanju čestica plina (slika 1) i uzrokuje njihovo ubrzanje u tijelu tornada. Postaje tanji, a brzina kretanja njegove stijenke se povećava. U tom slučaju vrijedi zakon očuvanja kutne količine gibanja mrv = const, a što je tornado stisnjeniji to je veća brzina kretanja. Dakle, cjelokupna atmosfera planeta djeluje na svaki tornado; Njegova energija temelji se na gustoći zraka jednakoj 1 kg / kubnom metru. m, i tlak jednak 1 atm (10 u 5 N/sq. m). A u eteru je gustoća 11 redova veličine manja, ali je pritisak 29 (!) redova veličine veći. I eter također ima svoj vlastiti mehanizam sposoban za opskrbu energijom. Ovo je BL, kuglasta munja.

Etersko-dinamički model BL-a jedini je (!) sposoban objasniti sve njegove karakteristike u cjelini. A ono što danas nedostaje za dobivanje ekološki prihvatljive energije iz etera je naučiti kako stvoriti umjetni CMM. Naravno, nakon što naučimo kako stvoriti uvjete za formiranje vrtloga u eteru. Ali ne samo da ne znamo kako to učiniti, nego ne znamo ni na koji način tome pristupiti. Izuzetno tvrd orah! Jedno je ohrabrujuće: ipak ih priroda nekako uspijeva stvoriti, te CMM! A ako je tako, možda ćemo se i mi jednog dana snaći. I tada više neće biti potrebe za svim vrstama nuklearnih elektrana, hidroelektrana, termoelektrana, termoelektrana, vjetroelektrana, solarnih elektrana i ostalih elektrana. Imajući željenu količinu energije na bilo kojem mjestu, čovječanstvo će rješavanju ekoloških problema pristupiti na potpuno drugačiji način. Naravno, pod uvjetom da će morati mirno živjeti na svom planetu, a koji vrag, neće biti uništena samo njegova rodna Zemlja, već i cijeli Sunčev sustav! Vidite, s energijom se problem može riješiti. Pritom obratite pozornost na važan detalj - ovom metodom neće biti potrebe za ubrzavanjem i usporavanjem mase goriva, koja sada uvelike određuje masu broda.

Pa, što je sa samim međuzvjezdanim brodom, kako bi trebao biti dizajniran? Da, barem u obliku već poznatog “letećeg tanjura”. (Sl. 2.) U njegovom prednjem dijelu nalaze se dva “eter usisnika” koji upijaju eter iz okolnog prostora. Iza njih nalaze se komore za formiranje vrtloga, u kojima eter teče vrtložno i samokompaktirano. Dalje duž vrtložnih kanala, eterična tornada prenose se u komoru za anihilaciju, gdje (identičnim pokretima vijka, ali usmjerenim u suprotnom smjeru; anihiliraju jedni druge plugom. Zgusnuti eter više nije sputan graničnim slojem i eksplodira, raspršuje se u svim smjerovima. Mlazna struja se baca natrag, a naprijed - tok koji zahvaća cijeli brod i tijelo astronauta, koje ubrzava bez deformacija. I brod leti ispred svjetlosti, u običnom euklidskom prostoru i u običnom vremenu ...

Ali što je s paradoksima blizanaca, povećanjem mase i smanjenjem duljine? Ali nikako. Postulati - oni su postulati - slobodni izumi, plodovi slobodne mašte. I oni moraju biti pometeni zajedno s "teorijom" koja ih je rodila. Jer ako je došlo vrijeme da čovječanstvo rješava primijenjene probleme, onda to ne bi smjele zaustaviti nikakve napuhane vlasti sa svojim spekulativnim barijerama koje su došle niotkuda.

Bilješka: Navedene knjige mogu se naručiti na adresi: 140160, Žukovski, Moskovska oblast, poštanski fah 285.

Dana 12. travnja 2016. slavni britanski fizičar Stephen Hawking i ruski biznismen i filantrop Yuri Milner najavili su izdvajanje 100 milijuna dolara za financiranje projekta Breakthrough Starshot. Cilj projekta bio je razviti tehnologije za stvaranje svemirskih letjelica sposobnih za međuzvjezdani let do Alpha Centauri.

Tisuće znanstvenofantastičnih romana opisuju divovske fotonske zvjezdane brodove veličine malog (ili velikog) grada, koji polaze na međuzvjezdani let iz orbite našeg planeta (rjeđe, s površine Zemlje). No, prema riječima autora projekta, Breakthrough Starshot, sve će se dogoditi potpuno drugačije: jednog značajnog dana dvije tisuće neke godine, ne jedan ili dva, nego stotine i tisuće malih svemirskih brodova veličine nokta i težine 1 g lansirat će se prema jednoj od najbližih zvijezda, Alpha Centauri. A svaki od njih imat će tanko solarno jedro površine 16 m 2, koje će nositi svemirski brod sve većom brzinom naprijed – do zvijezda.

"Pucanj do zvijezda"

Osnova projekta Breakthrough Starshot bio je članak profesora fizike s UC Santa Barbara Philipa Lubina, “Plan za međuzvjezdani let” ( Putokaz za međuzvjezdani let). Glavni navedeni cilj projekta je omogućiti međuzvjezdane letove za života sljedeće generacije ljudi, odnosno ne za stoljeća, već za desetljeća.

Odmah nakon službene objave programa Starshot Autore projekta pogodio je val kritika znanstvenika i tehničkih stručnjaka iz raznih područja. Kritični stručnjaci uočili su brojne pogrešne ocjene i jednostavno “prazne točke” u programskom planu. Neke primjedbe su uzete u obzir te je plan leta malo korigiran u prvoj iteraciji.

Dakle, međuzvjezdana sonda bit će svemirska jedrilica s elektroničkim modulom StarChip težine 1 g, spojene trakama za teške uvjete rada na solarno jedro površine 16 m 2, debljine 100 nm i mase 1 g. Naravno, svjetlost našeg Sunca nije dovoljna da čak i ubrza takvu laku strukturu do brzina pri kojima međuzvjezdana putovanja neće trajati tisućljećima. Stoga je glavni vrhunac projekta StarShot- Radi se o ubrzanju snažnim laserskim zračenjem koje je fokusirano na jedro. Lubin procjenjuje da će uz snagu laserskog snopa od 50-100 GW ubrzanje biti oko 30.000 g, a za nekoliko minuta sonda će postići brzinu od 20% svjetlosti. Let do Alpha Centauri trajat će oko 20 godina.

Pitanja bez odgovora: val kritika

Philip Lubin u svom članku daje brojčane procjene točaka plana, ali mnogi znanstvenici i stručnjaci vrlo su kritični prema tim podacima.

Naravno, razvijati tako ambiciozan projekt kao Breakthrough Starshot, potrebne su godine rada, a 100 milijuna dolara nije tako velika svota za posao ovog razmjera. To se posebno odnosi na zemaljsku infrastrukturu - fazni niz laserskih emitera. Instaliranje takvog kapaciteta (50–100 GW) zahtijevat će ogromnu količinu energije, odnosno u blizini će biti potrebno izgraditi najmanje desetak velikih elektrana. Osim toga, bit će potrebno ukloniti veliku količinu topline iz emitera tijekom nekoliko minuta, a kako to učiniti još je potpuno nejasno. Ima takvih neodgovorenih pitanja u projektu Breakthrough Starshot ogroman iznos, ali zasad je posao tek počeo.

"Znanstveno vijeće našeg projekta uključuje vodeće stručnjake, znanstvenike i inženjere u različitim relevantnim područjima, uključujući dva nobelovca", kaže Yuri Milner. – I čuo sam vrlo uravnotežene ocjene o isplativosti ovog projekta. Pritom se svakako oslanjamo na združenu stručnost svih članova našeg znanstvenog vijeća, ali smo istovremeno otvoreni za širu znanstvenu raspravu.”

Pod zvjezdanim jedrima

Jedan od ključnih detalja projekta je solarno jedro. U izvornoj verziji površina jedra u početku je iznosila samo 1 m 2 i zbog toga nije mogla izdržati zagrijavanje tijekom ubrzanja u polju laserskog zračenja. Nova verzija koristi jedro s površinom od 16 m2, tako da toplinski režim, iako prilično oštar, ali, prema preliminarnim procjenama, ne bi trebao otopiti ili uništiti jedro. Kao što sam Philip Lubin piše, planira se koristiti ne metalizirane prevlake, već potpuno dielektrična višeslojna zrcala kao osnovu za jedro: „Takvi materijali karakteriziraju umjereni koeficijent refleksije i izuzetno niska apsorpcija. Recimo, optička stakla za optička vlakna dizajnirana su za velike svjetlosne tokove i imaju apsorpciju od oko dvadeset trilijuntnih dijelova po 1 mikronu debljine.” Nije lako postići dobar koeficijent refleksije od dielektrika s debljinom jedra od 100 nm, što je puno manje od valne duljine. Ali autori projekta imaju neke nade u korištenju novih pristupa, kao što su monoslojevi metamaterijala s negativnim indeksom loma.

Sunčevo jedro

Jedan od glavnih elemenata projekta je solarno jedro s površinom od 16 m2 i masom od samo 1 g. Materijal jedra su višeslojna dielektrična zrcala koja reflektiraju 99,999% upadne svjetlosti (prema preliminarnim proračunima, ovo trebao bi biti dovoljan da spriječi taljenje jedra u polju zračenja lasera od 100 GW). Pristup koji više obećava, a koji omogućuje da debljina jedra bude manja od valne duljine reflektirane svjetlosti, je korištenje jednoslojnog metamaterijala s negativnim indeksom loma kao baze jedra (takav materijal također ima nanoperforaciju, što dodatno smanjuje njegovu masu). Druga mogućnost je korištenje materijala koji nije s visokim koeficijentom refleksije, već s niskim koeficijentom apsorpcije (10 −9), kao što su optički materijali za svjetlovode.

"Također morate uzeti u obzir da je refleksija od dielektričnih zrcala podešena na uski raspon valnih duljina, a kako se sonda ubrzava, Dopplerov efekt pomiče valnu duljinu za više od 20%," kaže Lubin. - Uzeli smo to u obzir pa će reflektor biti podešen na otprilike dvadesetak posto propusnosti zračenja. Mi smo dizajnirali takve reflektore. Ako je potrebno, dostupni su i reflektori s većim širinama pojasa.”

Laserski stroj

Glavna elektrana svemirskog broda neće letjeti do zvijezda – bit će smještena na Zemlji. Ovo je zemaljski fazni niz laserskih emitera dimenzija 1×1 km. Ukupna snaga lasera trebala bi biti od 50 do 100 GW (to je ekvivalentno snazi ​​10-20 Krasnojarskih hidroelektrana). Pretpostavlja se da se faziranjem (odnosno mijenjanjem faza na svakom pojedinom emiteru) fokusira zračenje valne duljine 1,06 μm iz cijele rešetke u točku promjera nekoliko metara na udaljenostima do mnogo milijuna kilometara ( najveća točnost fokusiranja je 10 −9 radijana). Ali takvo fokusiranje uvelike otežava turbulentna atmosfera, koja zamagljuje snop u točku veličine približno jedne lučne sekunde (10 −5 radijana). Očekuje se da će se poboljšanja od četiri reda veličine postići pomoću adaptivne optike (AO), koja će kompenzirati atmosferska izobličenja. Najbolji adaptivni optički sustavi u modernim teleskopima smanjuju zamućenje na 30 milisekundi, što znači da je do ciljanog cilja ostalo još oko dva i pol reda veličine. "Kako bi se prevladale male atmosferske turbulencije, fazni niz mora se rastaviti na vrlo male elemente, veličina emitirajućeg elementa za našu valnu duljinu ne smije biti veća od 20-25 cm", objašnjava Philip Lubin. - Riječ je o najmanje 20 milijuna emitera, ali me ta brojka ne plaši. Za povratnu informaciju u AO sustavu planiramo koristiti mnoge referentne izvore - beacone - kako na sondi, tako i na matičnom brodu iu atmosferi. Osim toga, pratit ćemo sondu na putu do cilja. Također želimo upotrijebiti zvijezde kao plutaču za prilagodbu faze niza kada primamo signal od sonde po dolasku, ali pratit ćemo sondu kako bismo bili sigurni.”

Dolazak

No, onda je sonda stigla u sustav Alpha Centauri, fotografirala okolicu sustava i planet (ako ih ima). Ove informacije moraju se nekako prenijeti na Zemlju, a snaga laserskog odašiljača sonde ograničena je na nekoliko vata. I nakon pet godina, ovaj slab signal mora biti primljen na Zemlji, izolirajući zvijezde od pozadinskog zračenja. Prema riječima autora projekta, sonda manevrira na meti na način da se jedro pretvara u Fresnelovu leću, fokusirajući signal sonde u smjeru Zemlje. Procjenjuje se da idealna leća s idealnim fokusiranjem i idealnom orijentacijom pojačava signal od 1 W na 10 13 W izotropnog ekvivalenta. Ali kako možemo razmotriti ovaj signal u pozadini mnogo jačeg (za 13-14 redova veličine!) zračenja od zvijezde? “Svjetlo sa zvijezde je zapravo prilično slabo jer je širina linije našeg lasera vrlo mala. Uska linija je ključni faktor u smanjenju pozadine, kaže Lubin. - Ideja o izradi Fresnelove leće od jedra koja se temelji na difrakcijskom elementu tankog filma prilično je složena i zahtijeva mnogo preliminarnog rada da bismo točno razumjeli kako to najbolje učiniti. Ova točka je zapravo jedna od glavnih u našem projektnom planu.”

Međuzvjezdani let nije pitanje stoljeća, već desetljeća

Jurij Milner ,
ruski biznismen i filantrop,
Osnivač Breakthrough Initiatives:

U proteklih 15 godina došlo je do značajnih, moglo bi se reći, revolucionarnih pomaka u tri tehnološka područja: minijaturizaciji elektroničkih komponenti, stvaranju nove generacije materijala te smanjenju troškova i povećanju snage lasera. Kombinacija ova tri trenda dovodi do teorijske mogućnosti ubrzanja nanosatelita do gotovo relativističkih brzina. U prvoj fazi (5-10 godina) planiramo provesti dublju znanstvenu i inženjersku studiju kako bismo shvatili koliko je ovaj projekt izvediv. Na web stranici projekta nalazi se popis od 20-ak ozbiljnih tehničkih problema bez čijeg rješavanja nećemo moći ići naprijed. Ovo nije konačan popis, ali na temelju mišljenja znanstvenog vijeća smatramo da je prva faza projekta dovoljno motivirana. Znam da je projekt zvjezdanog jedra podložan ozbiljnim kritikama stručnjaka, ali mislim da je stav nekih kritičkih stručnjaka povezan s ne sasvim točnim shvaćanjem onoga što mi zapravo predlažemo. Ne financiramo let do druge zvijezde, već realne višenamjenske razvoje vezane uz ideju međuzvjezdane sonde samo u općem smjeru. Te će se tehnologije koristiti i za letove u Sunčevom sustavu i za zaštitu od opasnih asteroida. Ali postavljanje tako ambicioznog strateškog cilja kao što je međuzvjezdani let čini se opravdanim u smislu da razvoj tehnologije u proteklih 10-20 godina vjerojatno čini provedbu takvog projekta ne pitanjem stoljeća, kako su mnogi pretpostavljali, već desetljećima.

S druge strane, fazni niz optičkih odašiljača/prijamnika zračenja s ukupnim otvorom od jednog kilometra je instrument koji može vidjeti egzoplanete s udaljenosti od nekoliko desetaka parseka. Pomoću podesivih prijemnika valnih duljina može se odrediti sastav atmosfere egzoplaneta. Jesu li u ovom slučaju uopće potrebne sonde? “Svakako, korištenje faznog niza kao vrlo velikog teleskopa otvara nove mogućnosti u astronomiji. No, dodaje Lubin, planiramo sondi dodati infracrveni spektrometar kao dugoročniji program uz kameru i druge senzore. Imamo sjajnu grupu za fotoniku na UC Santa Barbara koja je dio suradnje.”

No u svakom slučaju, prema Lubinu, prvi letovi bit će napravljeni unutar Sunčevog sustava: “Budući da možemo poslati ogroman broj sondi, to nam daje mnogo različitih mogućnosti. Također možemo poslati slične male ( wafer-vaga, odnosno na čipu) sonde na konvencionalnim raketama i koriste iste tehnologije za proučavanje Zemlje ili planeta i njihovih satelita u Sunčevom sustavu."

Urednici zahvaljuju novinama “Troitsky Option - Science” i njihovom glavnom uredniku Borisu Sternu na pomoći u pripremi članka.

Međuzvjezdani let je putovanje između zvijezda vozilima s posadom ili automatskim postajama. Najčešće se međuzvjezdani let odnosi na putovanja s ljudskom posadom, ponekad uz moguću kolonizaciju ekstrasolarnih planeta.

Izgradnja eskadrile međuzvjezdanih brodova počet će u Lagrangeovim točkama sustava Zemlja-Mjesec (točke gravitacijske ravnoteže). Materijali se, uglavnom, mogu isporučiti iz lunarnih baza - na primjer, kontejneri s njima ispaljuju se elektromagnetskim topovima i hvataju posebne stanice za zamke u području izgradnje. Motor za međuzvjezdani brod mora imati isti redoslijed snage kao sva snaga koju danas troši čovječanstvo. Na temelju predvidivih tehnologija i mogućnosti resursa, moguće je dati nacrt budućih međuzvjezdanih putovanja.

Kada se razmatra svemirska letjelica bilo koje namjene, zgodno ju je podijeliti na dva dijela - pogonski sustav i nosivost. Pogonski sustav obično ne podrazumijeva samo same motore, već i spremnike goriva i potrebne pogonske strukture. Što se tiče problema međuzvjezdanog putovanja, pogonski sustav je ključni čimbenik koji određuje izvedivost projekta. Međutim, problemi stvaranja pogonskog sustava su izvan opsega ovog razmatranja. Za nas je sada važno da postoje tehnologije koje svojim razvojem mogu postati prihvatljive za međuzvjezdane letove. Ovdje je tehnologija korištenja inercijske termonuklearne fuzije za raketni pogon na prvom mjestu. Američka NIF (National Ignition Facility) instalacija za istraživanje laserske termonuklearne fuzije vrijedna 3,5 milijardi dolara već je dobila rezultate koji govore da se na ovom principu može napraviti raketni motor. U blizini Sarova gradi se još snažnija instalacija ovog tipa. Ove instalacije malo podsjećaju na raketne motore, ali ako ih grubo “prepolovimo”, riješimo se temelja, zidova i gomile opreme nepotrebne u svemiru, dobit ćemo raketni motor koji se može nadograditi na međuzvjezdanu verziju. Ne ulazeći u detalje, napominjemo da će takvi motori nužno biti veliki, teški i vrlo snažni. Motor za međuzvjezdani brod mora imati isti redoslijed snage kao sva snaga koju danas troši čovječanstvo. Imajući takav motor (a ako ga nema, onda se nema o čemu razgovarati), možete se osjećati slobodnije u pogledu parametara nosivosti. Analogno tome, ako je biciklistu već vidljivo dodatnih 50 kg, onda dizelska lokomotiva neće niti primijetiti dodatnih 50 tona.

Naoružani ovim razumijevanjem, možemo pokušati zamisliti prvu međuzvjezdanu ekspediciju. U ovom slučaju, morat ćete koristiti rezultate izračuna i procjena koje su napravljene, ali se ovdje, iz očitih razloga, ne mogu reproducirati.

Izgradnja eskadrile međuzvjezdanih brodova počet će u Lagrangeovim točkama sustava Zemlja-Mjesec (točke gravitacijske ravnoteže). Materijali se, uglavnom, mogu isporučiti iz lunarnih baza - na primjer, kontejneri s njima ispaljuju se elektromagnetskim topovima i hvataju posebne stanice za zamke u području izgradnje.

Jedan brod znači stotine tisuća tona nosivosti, milijune tona motora, desetke milijuna tona goriva. Brojke mogu biti zastrašujuće, ali da ne budemo previše zastrašujuće, možemo ih usporediti s drugim velikim građevinskim projektima. Davno, u 20 godina, izgrađena je Keopsova piramida teška više od 6 milijuna tona. Ili već u naše vrijeme - u Kanadi je 1965. godine izgrađen otok North Dame. Bilo je potrebno samo 15 milijuna tona zemlje, a izgradnja je trajala samo 10 mjeseci. Najveći pomorski brod - Knock Nevis - imao je deplasman od 825.614 tona. Izgradnja u svemiru ima svoje specifične poteškoće, ali ima i neke prednosti, na primjer, olakšanje energetskih elemenata zbog bestežinskog stanja, praktički odsustvo ograničenja mase i veličine (na Zemlji će se dovoljno velika struktura jednostavno zdrobiti).

Otprilike 95% mase međuzvjezdanog broda činit će termonuklearno gorivo. Vjerojatno će koristiti bor vodik, gorivo će biti čvrsto, spremnici neće biti potrebni, što uvelike poboljšava karakteristike broda i olakšava njegovu konstrukciju. Bolje je sakupljati borohidride ne u sustavu Zemlja-Mjesec, nego negdje dalje od Sunca, u sustavu Saturn, na primjer, kako bi se izbjegli gubici zbog sublimacije. Vrijeme izgradnje može se procijeniti na nekoliko desetljeća. Razdoblje nije tako dugo, a osim toga, isti graditelji će paralelno obavljati i druge radove u sklopu razvoja Sunčevog sustava. Bolje je započeti gradnju izgradnjom brodskih stambenih blokova u kojima će živjeti graditelji i drugi stručnjaci. Istovremeno, tijekom izgradnje i akumulacije goriva, desetljećima će se testirati stabilnost zatvorenog sustava za održavanje života.

Zatvoreni sustav za održavanje života vjerojatno je drugi najteži problem nakon problema s motorom. Jedna osoba dnevno potroši oko 5 kg vode, hrane i zraka, a ako sve ponesete sa sobom, trebat će vam više od 200 tisuća tona zaliha. Rješenje je ponovno korištenje resursa kao što se to događa na planeti Zemlji.

Puni razmjeri međuzvjezdanih letova mogu se doživjeti samo ako uzmemo u obzir sredstva izvođenja takvih letova. Naravno, takvo razmatranje nije namijenjeno "osjećanju udaljenosti". Niti se može smatrati dizajnom specifičnog dizajna međuzvjezdanih brodova. Proučavanje međuzvjezdanih putovanja danas je inženjerske i teorijske prirode. Nemoguće je dokazati nemogućnost međuzvjezdanih letova, ali nitko nije uspio dokazati njihovu izvedivost. Izlaz iz situacije nije lak - potrebno je predložiti dizajn međuzvjezdanih brodova koji bi inženjerska i znanstvena zajednica prihvatila kao izvediv.

Izuzeti su letovi pojedinačnih međuzvjezdanih brodova, koji su pravilo u literaturi znanstvene fantastike, mogući su letovi samo eskadrile brodova, desetak vozila. To je sigurnosni zahtjev, a uz to osigurava i raznolikost života kroz komunikaciju između posada različitih brodova.

Nakon što je izgradnja eskadrile završena, ona se seli do pohranjenih rezervi goriva, pristaje uz njih i kreće. Po svemu sudeći, ubrzanje će biti vrlo sporo i za godinu-dvije mobilni uređaji moći će ubaciti na brodove ono što su zaboravili i skinuti one koji su se predomislili.

Let će trajati 100-150 godina. Sporo ubrzanje s ubrzanjem od približno stotinke zemljinog u razdoblju od deset godina, deseci godina leta po inerciji i nešto brže usporavanje od ubrzanja. Brzo ubrzanje značajno bi smanjilo vrijeme leta, ali nije moguće zbog neizbježno velike mase pogonskog sustava.

Let neće biti pun svemirskih avantura kao što je opisano u znanstvenofantastičnoj literaturi. Vanjskih prijetnji praktički nema. Oblaci kozmičke prašine, turbulencije u svemiru, praznine u vremenu - svi ti rekviziti ne predstavljaju prijetnju zbog svoje odsutnosti. Čak su i trivijalni meteoriti iznimno rijetki u međuzvjezdanom prostoru. Glavni vanjski problem je galaktičko kozmičko zračenje, kozmičke zrake. Ovo je izotropni tok jezgri elemenata koji imaju visoku energiju i, prema tome, veliku sposobnost prodora. Na Zemlji smo od njih zaštićeni atmosferom i magnetskim poljem; u svemiru, ako je let dug, moramo poduzeti posebne mjere, zaštititi životni prostor broda kako doza kozmičkog zračenja ne bi znatno premašila zemaljsku razinu. Ovdje će pomoći jednostavna tehnika dizajna - rezerve goriva (a one su vrlo velike) nalaze se oko stambenih odjeljaka i štite ih od zračenja većinu vremena leta.

Samo u našoj Galaksiji, udaljenosti između zvjezdanih sustava su nezamislivo velike. Ako izvanzemaljci iz svemira doista posjete Zemlju, stupanj njihovog tehničkog razvoja trebao bi biti stotinu puta veći od sadašnje razine našeg na Zemlji.

Nekoliko svjetlosnih godina daleko

Da bi označili udaljenosti između zvijezda, astronomi su uveli koncept "svjetlosne godine". Brzina svjetlosti najveća je u svemiru: 300 000 km/s!

Širina naše galaksije je 100.000 svjetlosnih godina. Da bi prevalili toliku udaljenost, vanzemaljci s drugih planeta trebaju izgraditi svemirski brod čija je brzina jednaka ili čak veća od brzine svjetlosti.

Znanstvenici vjeruju da se materijalni objekt ne može kretati brže od brzine svjetlosti. No, ranije su vjerovali da je nemoguće razviti nadzvučnu brzinu, no 1947. model zrakoplova Bell X-1 uspješno je probio zvučni zid.

Možda će u budućnosti, kada čovječanstvo bude akumuliralo više znanja o fizičkim zakonima svemira, zemljani moći izgraditi svemirski brod koji će se kretati brzinom svjetlosti, pa čak i brže.

Velika putovanja

Čak i ako su izvanzemaljci sposobni putovati svemirom brzinom svjetlosti, takvo bi putovanje trajalo mnogo godina. Za zemljane, čiji je životni vijek u prosjeku 80 godina, to bi bilo nemoguće. Međutim, svaka vrsta živih bića ima svoj životni ciklus. Na primjer, u Kaliforniji, SAD, postoje čekinjasti borovi stari već 5000 godina.

Tko zna koliko godina žive vanzemaljci? Možda nekoliko tisuća? Tada su im međuzvjezdani letovi koji traju stotinama godina uobičajeni.

Najkraće staze

Vrlo je vjerojatno da su izvanzemaljci pronašli prečace kroz svemir - gravitacijske "rupe", odnosno iskrivljenja prostora nastala gravitacijom. Takva mjesta u Svemiru mogla bi postati svojevrsni mostovi – najkraći putevi između nebeskih tijela koja se nalaze na različitim krajevima Svemira.